無線協(xié)作中繼策略和資源分配方法研究.pdf

1、近年來無線協(xié)作中繼技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到無線移動通信中，用來擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高傳輸鏈路的可靠性和數(shù)據(jù)吞吐率，減少無線終端的傳輸功率消耗以及降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。許多新的協(xié)作中繼技術(shù)已經(jīng)開始深入工業(yè)和學(xué)術(shù)界，引起了高度關(guān)注。在未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作通信的性能很大程度上依賴于通信資源的優(yōu)化分配，比如：頻帶、功率分配和中繼選擇等。MIMO中繼信道因為其融合了中繼與多天線系統(tǒng)而能夠有效提高協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，這使其成為協(xié)作中繼技術(shù)的一個

2、研究熱點。本文主要著眼于無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作中繼傳輸策略、中繼伙伴選擇和資源分配等主題的研究。本文的主要工作如下：
　　第一，從時分的角度，研究了瑞利衰落環(huán)境下由一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點和一個中繼節(jié)點組成的三節(jié)點無線中繼信道。這一部分首先詳細(xì)討論了全雙工中繼在中繼目的之間信道容量比源中繼之間信道容量更大的時候進行中繼傳輸需要消耗的能量和時間的關(guān)系。研究結(jié)果表明中繼所需占用的傳輸時間可通過增加能量的消耗而減少，反之亦然。接著，探

3、討了在源節(jié)點僅能夠在中繼接收期間發(fā)送信息的情況下，中繼節(jié)點以半雙工方式工作時的中繼信道容量上下限及其時間分配策略。
　　第二，研究了分布式無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于買者賣者博弈的功率分配策略。提出了一個分布式的基于買者賣者博弈理論的資源分配框架，以滿足用戶鏈路質(zhì)量需求為基礎(chǔ)，為解決多用戶無線協(xié)作通信中中繼選擇和最優(yōu)化功率分配為目標(biāo)。聯(lián)合地研究了源節(jié)點和中繼節(jié)點的功率分配，并且優(yōu)化了源節(jié)點和每個參與協(xié)作中繼節(jié)點的收益。該方法不僅有利于源節(jié)點

4、優(yōu)化選擇中繼節(jié)點和聯(lián)合地在源與中繼之間進行功率最優(yōu)化分配，以便源節(jié)點的總支付最小，而且有利于為互為競爭關(guān)系的中繼節(jié)點選定優(yōu)化的功率價格，以使它們各自的收益最大化。仿真結(jié)果表明在保證用戶信噪比需求得到滿足的條件下，隨著獲得的中繼節(jié)點總數(shù)增加，整個網(wǎng)絡(luò)傳輸同樣數(shù)據(jù)量的能量消耗會更低。
　　第三，研究了無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中自私節(jié)點之間基于Nash討價還價博弈的資源分配和協(xié)作伙伴選擇的問題。系統(tǒng)中每一個參與協(xié)作的節(jié)點既是源節(jié)點又潛在地可能作

5、為中繼節(jié)點。參與協(xié)作的兩個自私節(jié)點由于都能夠從相互幫助中獲得額外的速率增益而都樂意分享自己的功率和頻帶幫助協(xié)作伙伴進行中繼。首先，提出了一個搜索算法以解決兩個相互協(xié)作用戶之間進行帶寬和功率聯(lián)合分配的討價還價問題。接著，基于Hungarian方法提出了一種針對多用戶情況下如何進行協(xié)作伙伴選擇的算法?；贜ash討價還價解的資源分配本身具有公平性，同時，基于Hungarian方法的協(xié)作伙伴選擇算法是以整個網(wǎng)絡(luò)速率增益為目標(biāo)的。仿真結(jié)果表明協(xié)

6、作伙伴之間的資源分配保證了公平性，同時能優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)的速率增益。
　　第四，探討了在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中利用無線節(jié)點的協(xié)作改善物理層保密通信性能的問題。這一部分提出了一種新的協(xié)作策略：聯(lián)合解碼轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作干擾（DFCJ）。基于DFCJ協(xié)作策略，研究了一對源節(jié)點和目的節(jié)點，在一個惡意竊聽節(jié)點存在的情況下，通過多個協(xié)作中繼節(jié)點的幫助，來提升無線保密通信的性能。在這個新的協(xié)作方案中，中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)來自源節(jié)點信號的同時也附加發(fā)送干擾信號來迷惑竊聽節(jié)點

7、。該方案的系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)就是要確定各個協(xié)作節(jié)點的信號權(quán)重和傳輸功率的分配。對于DFCJ，在迫使協(xié)作干擾信號在目的處全為零的條件下，首先給出了在保密速率受限的條件下最小化總傳輸功率問題的一個閉形式解，接著，通過遞歸算法獲得了在總傳輸功率受限的條件下最大化保密速率問題的最優(yōu)化功率分配。通過對傳輸功率和保密速率分別進行仿真的結(jié)果分析，說明了所提出的協(xié)作方案相比解碼轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作干擾能夠擴大協(xié)作中繼節(jié)點的選擇范圍，使更多的協(xié)作節(jié)點參與協(xié)作，從而進一步